冉正云

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528000）

1 概述

永磁同步電機(jī)由于機(jī)械加工誤差等情況帶來(lái)了電機(jī)的三相電感不平衡問(wèn)題。不平衡電感將導(dǎo)致電機(jī)三相電流不對(duì)稱，長(zhǎng)期運(yùn)行在滿載或過(guò)載時(shí)的不平衡系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)繞組溫度高，轉(zhuǎn)子永磁體易退磁，變頻器IGBT 壽命降低，系統(tǒng)可靠性變差。同時(shí)，在矢量算法中電流環(huán)需要用到三相電機(jī)電流。如果電機(jī)電流不平衡，將影響無(wú)位置傳感器控制算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為了解決電流不平衡問(wèn)題，加大了電機(jī)生產(chǎn)工藝檢測(cè)要求，帶來(lái)了檢測(cè)儀器和人力成本。為了減少壓縮機(jī)成本，變頻器需要增加電機(jī)電流不平衡的補(bǔ)償功能。

圖1 電機(jī)電流不平衡補(bǔ)償

傳動(dòng)領(lǐng)域的不平衡主要體現(xiàn)在電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的不平衡，對(duì)電網(wǎng)側(cè)不平衡補(bǔ)償技術(shù)研究的文獻(xiàn)相對(duì)較多[1-3]，造成網(wǎng)側(cè)電流不平衡的主要原因是三相變壓器電感不平衡，網(wǎng)側(cè)控制算法外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，負(fù)載電流為有功電流[4-5]，不平衡補(bǔ)償需要檢測(cè)網(wǎng)側(cè)三相電流和三相電壓[6-8]。電機(jī)側(cè)不平衡補(bǔ)償技術(shù)研究很少。文獻(xiàn)[9]與本發(fā)明研究方向一致，不平衡研究放在電機(jī)側(cè)。在電流波形正弦度很好的情況下，文獻(xiàn)[9]可以準(zhǔn)確地判斷出正負(fù)半周電流不平衡。在電機(jī)發(fā)生諧振時(shí)，或者電流波形畸變比較嚴(yán)重時(shí)容易誤判正負(fù)半周不平衡。同時(shí)，文獻(xiàn)[9]僅判斷是否有正負(fù)半周電流不平衡，沒(méi)有提出抑制電流不平衡的方法。

本方案采樣電機(jī)三相電流，在每個(gè)電頻率周期計(jì)算出三相不平衡電流補(bǔ)償目標(biāo)值和補(bǔ)償值，計(jì)算出電機(jī)三相電感不平衡補(bǔ)償電壓，可以精準(zhǔn)進(jìn)行不平衡補(bǔ)償。

2 理論推導(dǎo)

圖1 為電機(jī)電流不平衡補(bǔ)償示意圖，由無(wú)速度傳感器矢量控制算法模塊、電流不平衡補(bǔ)償算法模塊以及轉(zhuǎn)子速度估計(jì)模塊構(gòu)成。電流不平衡補(bǔ)償算法由每電周期提取三相電流的正負(fù)半波峰值、每電周期計(jì)算一次三相不平衡電流目標(biāo)值和補(bǔ)償值、三相不平衡補(bǔ)償電壓組成。

2.1 正負(fù)半波峰值提取

定義三相電流的正半波峰值 IA_max、IB_max、IC_max，負(fù)半波峰值 IA_min、IB_min、IC_min。

在電機(jī)電流一個(gè)2π 周期內(nèi)，每個(gè)ADC 中斷進(jìn)行如下判斷：如果 IA＞0，IA＞IA_max，則 IA_max=IA；如果 IA＜0，IA＜IA_min，則 IA_min=IA。B 相和 C 相的正半波峰值IB_max、IC_max 和負(fù)半波峰值 IB_min、IC_min 采用同樣的方法得到。

在電流的下一個(gè)2π 周期開(kāi)始，三相電流正負(fù)半波峰值重新清零，并按上述方法得到下一個(gè)電周期正負(fù)半波峰值。

2.2 不平衡電流計(jì)算

在電流波形一個(gè)2π 周期結(jié)束后，得到三相電流正負(fù) 半 波 峰 值 IA_max，IB_max，IC_max，IA_min，IB_min，IC_min。

三相不平衡量平均值為I_unb= [（IA_max-IA_min）×0.5+（IB_max-IB_min）×0.5+（IC_max-IC_min） ×0.5]/3

I_unb_a_aim =（IA_max-IA_min）×0.5 - I_unb

I_unb_b_aim =（IB_max-IB_min）×0.5 - I_unb

I_unb_c_aim = -（I_unb_a_aim+I_unb_b_aim）

式中，I_unb_a_aim，I_unb_b_aim，I_unb_c_aim 分別為三相不平衡量補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值。

I_unb_a = I_unb_a + I_unb_a_aim×λ

I_unb_b = I_unb_b + I_unb_b_aim×λ

I_unb_c = I_unb_c + I_unb_c_aim×λ

式中，I_unb_a，I_unb_b，I_unb_c 分別為三相不平衡量補(bǔ)償實(shí)時(shí)值，λ 為電流不平衡量補(bǔ)償步長(zhǎng)，λ 取值范圍為 0～1，λ 越大，不平衡補(bǔ)償越快。

2.3 不平衡補(bǔ)償

UA_unb =ωL×I_unb_a×cos（θ-900）

UB_unb =ωL×I_unb_b×cos（θ-900+1200）

UC_unb =ωL×I_unb_c×cos（θ-900-1200）

式中的900表示電感電流滯后電壓的角度。在CLARKE 逆變換生成的 UA，UB，UC 分別加上 UA_unb，UB_unb，UC_unb 即可完成電流不平衡補(bǔ)償。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建永磁同步無(wú)速度傳感器矢量MATLAB 仿真模型，電機(jī)參數(shù)為：1 對(duì)極，額定功率160KW，額定頻率283Hz，額定電流 330A，最大電流 360A，Ld=Lq=0.15mH，反電勢(shì)系數(shù)為23.4V/krpm。在CLARKE 逆變換生成的UA 加上 25ωLqsin（θ），UB 和 UC 保持不變，以此模擬三相電機(jī)電感不平衡。圖2 為提取的正負(fù)半波峰值電流，其中IA 為電機(jī)電流，IA_max 和IA_min 分別為提取的正負(fù)半波峰值電流。圖3 為三相不平衡電機(jī)電流，在負(fù)載較重的情況下，容易觸發(fā)過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。同時(shí)，這樣的電流諧波較高，永磁電機(jī)溫升更高，加大了退磁風(fēng)險(xiǎn)。

取λ=0.618。圖4 為補(bǔ)償后的電流波形。經(jīng)不平衡補(bǔ)償后得到了滿意的效果，補(bǔ)償后三相電流幅值基本沒(méi)有誤差。

圖2 正負(fù)半波峰值電流

實(shí)驗(yàn)所用永磁同步電機(jī)額定參數(shù)與仿真模型電機(jī)參數(shù)一致。為了模擬三相電流不平衡，電機(jī)U 相輸入側(cè)加交流電抗，電感0.01mH，V 相和W 相保持不變，運(yùn)行在額定頻率283Hz，電流有效值265A，電感兩端峰值電壓6.66V，圖5 為補(bǔ)償后的電流波形，沒(méi)有因?yàn)榧尤氩黄胶怆妷寒a(chǎn)生三相電流不平衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖3 補(bǔ)償前的三相電流仿真波形

圖4 補(bǔ)償后的三相電流仿真波形

本文提出了電機(jī)端三相電流不平衡補(bǔ)償方法，仿真和模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，可以很好地解決由于電機(jī)生產(chǎn)工藝帶來(lái)的三相電流不平衡。有了電流不平衡補(bǔ)償算法，對(duì)電機(jī)加工工藝要求可以適當(dāng)降低，減小加工成本，確保產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，對(duì)電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)也可以可靠保護(hù)，延長(zhǎng)電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)的使用壽命。

圖5 補(bǔ)償后的三相電流實(shí)驗(yàn)波形